DURHAM – Hvad er i en form? Som det viser sig, meget. At forstå strukturerne af proteiner og andre molekyler i ekstremt fine detaljer kan være nøglen til at finde ud af, hvordan de virker. Og den viden kan åbne døren til udvikling af nye vacciner og terapeutika.
For at opnå det har Duke-forskere adgang til et avanceret værktøj kaldet Cryogenic elektronmikroskopi (Cryo-EM), som hurtigt skaber billeder i høj opløsning af de mindste stykker proteiner (på atomniveau).
Tre forskere vandt 2017 Nobelprisen i kemi for at være banebrydende inden for teknikken. I 2018 erhvervede og installerede Duke sin egen kryo-EM-maskine takket være finansiering fra kansleren for sundhedsanliggender A. Eugene Washington, MD, sagde Jennifer Foreman, assisterende dekan for grundlæggende videnskab på School of Medicine.
Instrumentet kostede $8 til $10 millioner at købe og installere, inklusive renoveringer for at rumme det, sagde Mark Walters, PhD, direktør for Pratt School of Engineering's Shared Materials Instrumentation Facility, som huser og driver mikroskopet.
Læs videre for at lære mere om Cryo-EM, og hvordan det er blevet en arbejdshest i Duke Human Vaccine Institutes bestræbelser på at lave en vaccine til hiv.
Duke tildelte 27 millioner dollars føderalt tilskud til at bygge strukturelle modeller af HIV
Duke er hjemsted for et af kun fire cryo-EM-instrumenter i Carolinas
National Institute of Environmental Health Sciences (NIEHS) i Research Triangle Park lancerede det første cryo-EM-instrument i North eller South Carolina i 2017. Duke og University of North Carolina i Chapel Hill fulgte snart trop. Duke's Thermo-Fisher Titan Krios Cryo Transmission Electron Microscope, en andengenerationsmodel, tager billeder med en smule højere opløsning end de instrumenter, der oprindeligt blev installeret på NIEHS og UNC-Chapel Hill, sagde Walters.
I august 2022 implementerede NIEHS sit andet instrument, en Titan Krios som den hos Duke, sagde Mario J. Borgnia, PhD, direktør for Cryo-EM Core hos NIEHS. Alle tre institutioner er en del af Molekylær Mikroskopi Konsortium, baseret på NIEHS, som fremmer brugen af cryo-EM og andre mikroskopiværktøjer til at forstå molekylære strukturer på atomniveau og giver uddannelse til forskere fra disse institutioner, der ønsker at bruge dem i deres arbejde.
Duke-vaccineinstituttet lander kontrakt på op til $365 millioner for potentielle behandlinger
Betydning af "cryo-EM"
"Cryo"-delen af mikroskopets navn betyder, at det fryser proteinerne eller andre prøver for at holde deres strukturer intakte, mens en stråle af elektroner rammer dem.
Elektronmikroskopi finder sted inde i et vakuum, sagde Walters, så hvis du prøvede at afbilde prøverne ved stuetemperatur, "ville de dybest set kollapse ind i sig selv."
Maskinen indsamler data ved hjælp af enten enkeltpartikelanalyse, som tager tusindvis af billeder af oprensede proteiner i tilfældige orienteringer, eller tomografi, hvor billeder af større biologiske strukturer tages ved forskellige hældningsvinkler, sagde Walters. Forskere bruger computersoftware til at stable billederne for at skabe tredimensionelle modeller i høj opløsning.
Otte startups fra Duke-fakultetets jordfrøbevillinger – her er de
Travle forskere, travl maskine
Dukes Cryo-EM-instrument kører næsten 7 dage om ugen, 24 timer i døgnet, og tager så mange som 5,000 billeder om dagen.
Medarbejder Nilakshee Bhattacharya, PhD, overvåger driften af maskinen og træner forskere i brugen af den. Den høje efterspørgsel betyder, at omkostningerne for forskere - $55 i timen - er relativt lave, sagde Walters. En håndfuld forskergrupper på School of Medicine er tunge brugere, de fleste af dem i Institut for Biokemi og Duke Human Vaccine Institute. Nobelprisvinderen Robert Lefkowitz, MD, James B. Duke Distinguished Professor of Medicine, bruger mikroskopet ofte og var en af fortalere for at bringe cryo-EM til Duke.
Duke rapporterer $90 millioner fra opstartslicensgebyrer, hjælper med at lancere 13 nye veturer
Cryo-EM afgørende for potentiel HIV-vaccineudvikling hos Duke
Cryo-EM er afgørende i Duke Human Vaccine Institutes søgen efter at udvikle en vaccine mod HIV.
Mikroskopet har overtaget som den vigtigste metode, som Priyamvada Acharya, PhD, direktør for Dukes nye føderalt finansierede Center for HIV Structural Biology, bruger til at forstå strukturer relateret til HIV.
"Uden hyppig og let adgang til et avanceret mikroskop, der er i stand til at indsamle data, der giver os mulighed for at løse detaljer på atomniveau, ville meget af arbejdet, der går ind i strukturbaseret vaccinedesign, ikke være muligt," sagde Acharya.
Hun forklarede, at proteiner er lange kæder af aminosyrer, der foldes til en særskilt form, der definerer deres funktion. Med HIV, for eksempel, skaber den unikke form af HIV-1 Envelope (Env) proteinet et bindingssted for en receptor kaldet CD4. "Efter binding til CD4 ændres formen af Env, så den kan binde yderligere receptorer," sagde hun.
Længere nede af vejen tillader flere ændringer i konvoluttens form hiv at trænge ind i menneskelige celler. Visuelle modeller af disse interaktioner er nøglen til at lære at designe en vaccine, sagde Acharya. "Strukturel biologi giver os mulighed for at visualisere formen og dynamikken af biomolekyler, hvilket giver et vindue til deres funktion og evnen til at ændre den."
© Duke University School of Medicine
